الطاقة الشمسية الحرارية: ثورة خضراء في مجال الطاقة الحرارية النظيفة

وفي خضم الموجة العالمية من التحول إلى الطاقة منخفضة الكربون، أصبحت الطاقة الشمسية - وهي مورد متجدد لا ينضب - المحرك الأساسي لثورة الطاقة. ومن بين تطبيقاتها، نمت التكنولوجيا الحرارية الشمسية، مع المزايا الفريدة المتمثلة في "التحويل المباشر للطاقة الحرارية، وتخزين الطاقة القوي، وسيناريوهات التطبيق الواسعة"، تدريجيًا من "لاعب محتمل" إلى "قوة رئيسية" في قطاع الطاقة، مما يوفر حلاً عمليًا لمعالجة نقص الطاقة والتلوث البيئي.

يقوم المبدأ الأساسي للطاقة الشمسية الحرارية على تحويل الإشعاع الشمسي مباشرةً إلى طاقة حرارية عبر أجهزة مُخصصة، على عكس تقنية الخلايا الكهروضوئية (PV) التي تُحوّله أولاً إلى كهرباء. تعتمد هذه العملية على التشغيل المُنسّق لثلاث حلقات رئيسية: "جمع الحرارة، ونقل الحرارة، وتخزين الحرارة". وبصفته المُكوّن الأساسي، يلتقط مُجمّع الحرارة ضوء الشمس باستخدام تقنيات مثل طلاءات الامتصاص والمرايا المُركّزة، مُحوّلاً الطاقة الضوئية إلى طاقة حرارية، ثم ينقلها إلى وسط ناقل للحرارة (مثل الماء أو الزيت المُوصّل للحرارة). ثم ينقل هذا الوسط الحرارة إلى جهاز تخزين عبر خطوط الأنابيب أو يُزوّدها مُباشرةً للمستخدمين النهائيين. يُتيح نظام تخزين الحرارة، باستخدام مواد تغيير الطور أو خزانات مياه معزولة، تخزينًا حراريًا طويل الأمد، مما يضمن إمدادًا مُستقرًا بالطاقة حتى في الليل أو في الأيام الغائمة. بالمقارنة مع تقنية الخلايا الكهروضوئية، تتميز الطاقة الشمسية الحرارية بميزة واضحة: "الاستخدام المُباشر للطاقة الحرارية" - فهي تُجنّب فقدان الطاقة من تحويل الكهرباء، مُحققةً كفاءة حرارية تتراوح بين 50% و80%، مما يجعلها مُناسبة بشكل خاص للسيناريوهات التي تتطلب إمدادًا حراريًا مُستمرًا ومُستقرًا.

من حيث التطور التكنولوجي، شكّلت الطاقة الشمسية الحرارية نظامًا تقنيًا متعدد الأبعاد لتلبية احتياجات الطاقة على مختلف المقاييس. في التطبيقات الصغيرة والمتوسطة، تُعدّ المجمعات الشمسية ذات الصفائح المسطحة والأنابيب المفرغة شائعة الاستخدام. تُستخدم المجمعات الشمسية ذات الصفائح المسطحة، ذات الهياكل البسيطة والتكاليف المنخفضة، على نطاق واسع لتوفير المياه الساخنة للمنازل. على سبيل المثال، في المناطق الريفية شمال الصين، تُلبّي "سخانات المياه الشمسية" - المُركّبة على أسطح المنازل - الاحتياجات اليومية كالغسيل والتدفئة. تُحسّن مجمعات الأنابيب المفرغة، بفضل طبقة التفريغ المعزولة، من أدائها في درجات الحرارة المنخفضة (حيث تعمل بشكل طبيعي حتى عند درجة حرارة -20 درجة مئوية)، مما يجعلها الخيار الأمثل للمناطق ذات خطوط العرض العليا. في مشاريع الطاقة واسعة النطاق، تُظهر تقنية الطاقة الشمسية الحرارية المركزة (CSP) إمكانات هائلة: فهي تستخدم العديد من المرايا الشمسية لتركيز ضوء الشمس على مُستقبِل مركزي، مما يُولّد طاقة حرارية عالية الحرارة (أكثر من 400 درجة مئوية) لا تقتصر على تشغيل توربينات البخار لتوليد الطاقة، بل تدعم أيضًا إنتاج البخار الصناعي وتحلية مياه البحر. على سبيل المثال، تستخدم محطة الطاقة الحرارية الشمسية PS10 في إسبانيا 1250 هليوستات وجهاز استقبال برج مركزي لتحقيق توليد الطاقة المستمر على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع، مع إنتاج سنوي يبلغ 23 مليون كيلوواط/ساعة، مما يشكل نموذجًا للتشغيل التجاري لمشاريع الطاقة الحرارية الشمسية واسعة النطاق.

في سياقات تطبيقها المتوسعة، تتجاوز الطاقة الشمسية الحرارية مجرد "إمدادات المياه الساخنة الفردية" إلى "الاستخدام المتكامل متعدد المجالات"، لتصبح حلقة وصل رئيسية تربط احتياجات معيشة الناس والإنتاج الصناعي. في القطاع المدني، إلى جانب سخانات المياه المنزلية، رُوّج لأنظمة التدفئة الشمسية الحرارية على نطاق واسع في مدن شمال الصين. ففي بكين، على سبيل المثال، أُضيفت أكثر من 5 ملايين متر مربع من مساحات التدفئة الشمسية الحرارية الجديدة في عام 2024. وباستخدام نموذج مُركّب يجمع بين "مُجمّعات الحرارة + خزانات تخزين الحرارة + مضخات الحرارة المساعدة"، انخفض استهلاك طاقة التدفئة الشتوية بأكثر من 60% مقارنةً بالغلايات التقليدية التي تعمل بالغاز، بينما انخفضت انبعاثات الكربون بحوالي 300 ألف طن. في الصناعة، تُقدّم الطاقة الشمسية الحرارية نهجًا جديدًا للقطاعات عالية الاستهلاك للطاقة "لتقليل انبعاثات الكربون". تتطلب صناعات مثل المنسوجات وتصنيع الأغذية كميات كبيرة من الحرارة الصناعية (100-200 درجة مئوية)؛ ويمكن لتركيب مُجمّعات حرارة متوسطة الحرارة أن تحل محل الغلايات التي تعمل بالفحم أو الغاز مباشرةً، مما يُخفّض تكاليف الطاقة في المؤسسات وانبعاثات الملوثات. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم الطاقة الشمسية الحرارية في الزراعة لتدفئة الصوب الزراعية وتجفيف المنتجات الزراعية. وقد اعتمدت إحدى قواعد زراعة الكرز في مقاطعة شاندونغ معدات تجفيف تعمل بالطاقة الشمسية الحرارية، مما أدى إلى تقصير دورة تجفيف الكرز من 7 أيام (الطريقة التقليدية) إلى 3 أيام، وتجنب فقدان الجودة نتيجة التجفيف بالفحم، وزيادة أسعار المنتجات بنسبة 20%.

لا تكمن القيمة البيئية للطاقة الشمسية الحرارية في كونها خالية من انبعاثات الكربون فحسب، بل تكمن أيضًا في تأثيرها الاستبدالي على أنظمة الطاقة التقليدية. تُظهر بيانات وكالة الطاقة الدولية (IEA) أن استهلاك الطاقة الحرارية في المباني والقطاعات الصناعية العالمية يُمثل أكثر من 50% من إجمالي استخدام الطاقة، ويعتمد في الغالب على الوقود الأحفوري كالفحم والغاز الطبيعي. إذا رُفعت نسبة استخدام الطاقة الشمسية الحرارية إلى 20%، يُمكن خفض انبعاثات الكربون العالمية بنحو 3 مليارات طن سنويًا، أي ما يُعادل تأثير عزل الكربون الناتج عن زراعة 16 مليار شجرة. وفي إطار أهداف الصين "ثنائية الكربون" (بلوغ ذروة الكربون بحلول عام 2030 وتحقيق الحياد الكربوني بحلول عام 2060)، أُدرجت الطاقة الشمسية الحرارية في خطط تطوير الطاقة. وتشير الخطة الخمسية الرابعة عشرة لتنمية الطاقة المتجددة بوضوح إلى أنه بحلول عام 2025، ستصل القدرة المركبة للطاقة الشمسية الحرارية إلى 5 ملايين كيلووات، وستتجاوز مساحة التدفئة الشمسية الحرارية وإمدادات الحرارة الصناعية مليار متر مربع - مما يوفر زخمًا قويًا لتصنيع تكنولوجيا الطاقة الشمسية الحرارية.

بالطبع، لا تزال الطاقة الشمسية الحرارية تواجه تحديات: ارتفاع الاستثمار الأولي للمشاريع واسعة النطاق، وإمكانية تحسين أداء مواد تخزين الحرارة، ومحدودية موارد الطاقة الشمسية في بعض المناطق. ومع ذلك، مع التكرار التكنولوجي ودعم السياسات، يتم حل هذه المشكلات تدريجيًا. فقد زادت مجمعات الطلاء النانوي الجديدة من كفاءتها الحرارية إلى أكثر من 85%، وتتيح تقنية تخزين الحرارة بالملح المنصهر تخزينًا حراريًا طويل الأمد، وتُكمل أنظمة الطاقة الهجينة "الحرارية الشمسية + الكهروضوئية" مزايا كلتا التقنيتين لتعزيز استقرار إمدادات الطاقة.

من سخانات المياه المنزلية على أسطح المنازل إلى محطات الطاقة الشمسية الحرارية واسعة النطاق في الصحاري، تُعيد الطاقة الشمسية الحرارية تشكيل أنماط استخدام الطاقة البشرية بطريقة "مرئية وقابلة للاستخدام". إنها ليست مجرد تقنية طاقة نظيفة، بل هي أيضًا قوة حيوية للتنمية الخضراء. في المستقبل، ومع التقدم التكنولوجي المستمر وتوسع نطاق تطبيقاتها، ستلعب الطاقة الشمسية الحرارية بلا شك دورًا أكثر أهمية في التحول العالمي في مجال الطاقة، موفرةً دعمًا حراريًا قويًا لبناء "أرض خالية من الكربون".